1概述

目前國內(nèi)起重機械頻繁發(fā)生安全事故，固然一部分原因是由金屬結(jié)構(gòu)的損壞造成的，但是還有一大部分則是由重要零部件的損壞引起的。這就促使人們對起重機械的重要零部件的安全性和可靠性進行重新審視并做了多方面的研究，以減少或杜絕超速墜落、吊鉤斷裂、軸斷裂、齒輪斷裂等事故發(fā)生。在日常檢驗檢測中，對于起重機械的重要零部件的檢測，大多數(shù)是采用目測的方法來判斷，而人眼的精度是有限的，很多細微缺陷是無法識別的，重要零部件的變形以及扭轉(zhuǎn)程度等指標是無法量化的，也無法進行檢測，只能利用經(jīng)驗進行判斷；特別在起重機械事故鑒定以及對超期服役的起重機械的壽命評估中，某個重要零部件的變形、扭轉(zhuǎn)甚至裂紋大小都是事故發(fā)生的可能原因或者使用壽命長短的重要因素，而使用后的重要零部件是無法用常規(guī)方法繪圖。而機器視覺技術(shù)是目前國內(nèi)外應(yīng)用較成熟的新技術(shù)，最大的特點是速度快、信息量大、功能多，而基于機器視覺技術(shù)的檢測系統(tǒng)具有表面細微缺陷檢測精確度高、部件的變形量和扭轉(zhuǎn)程度可以量化以及檢驗誤差小等優(yōu)點。而對于起重機械的安全性能評價，目前常規(guī)的方法均是先根據(jù)圖紙進行虛擬三維建模，然后用有限元進行應(yīng)力分析，推算出可能的情況，然后再與實際進行驗證，但往往存在較大的誤差，為此本文將機器視覺采集到的三維模型進行有限元分析，并將結(jié)果與主要受力部件原始數(shù)據(jù)進行對比，完成起重機主要受力部件的安全性能分析與評估。

2系統(tǒng)介紹

起重機械的重要受力零部件較多，因研究方法采用基于機器視覺的檢測系統(tǒng)，所以我們就選取起重機的典型零部件（如吊鉤）作為主要研究對象，以此方法類推至其他零部件（例如聯(lián)軸器、卷筒、齒輪等），針對各類吊鉤的特點，以光學(xué)為基礎(chǔ)，融合計算機和圖像處理技術(shù)，提出一種基于機器視覺和有限元分析相結(jié)合的檢測系統(tǒng)，最終實現(xiàn)吊鉤表面細微缺陷的檢測，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和使用狀況危險部位，確定應(yīng)力集中區(qū)，并通過測試驗證；對發(fā)現(xiàn)的裂紋、變形、磨損以及其他危險缺陷發(fā)展趨勢的危險程度和發(fā)展情況進行評估；找出影響安全性能的主要因素。其中系統(tǒng)的裝置由光源、攝像機、采集卡及PC軟件系統(tǒng)等組成，其中光源為兩盞LED強光燈作為輔助照明，攝像機選用stereoSCAN三維掃描儀，其分辨率：1384x1036、像素500萬；最高精確度4um；信噪比為/40000。在圖像處理過程中使用了圖像平滑濾波處理、閾值分割處理和腐蝕膨脹等形態(tài)學(xué)處理，在判斷缺陷的過程中使用了連通區(qū)域標記等處理，對目標特征進行了快速而準確地檢測，并最大限度地減少對硬件系統(tǒng)的依賴性。接著對處理后的數(shù)據(jù)進行有限元分析。具體的評估方法圖見圖1。

3有限元分析

3.1吊鉤力學(xué)模型本論文分析采用5t、8t、10t這三種不同噸位的三維模型，根據(jù)GB10051.1-88，這三種吊鉤鉤號分別為2.5、4和5；鉤型為MM型，強度等級P，機構(gòu)工作級別M4，吊鉤材料為DG20Mn。

3.2有限元網(wǎng)格根據(jù)吊鉤的結(jié)構(gòu)特點和受力特點，在ANSYS中設(shè)置分析類型為結(jié)構(gòu)分析，定義單元類型為Solid185（該單元用于構(gòu)造三維實體結(jié)構(gòu)。單元具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力強化，大變形和大應(yīng)變能力）。劃分網(wǎng)格后模型如圖2。

3.3材料物理參數(shù)

本次采用三維軟件建模，再將模型轉(zhuǎn)換成IGES格式導(dǎo)入ANSYS中進行有限元分析，在ANSYS中，對模型賦予具體參數(shù)如表1。

3.4載荷工況與邊界條件

本論文分析載荷工況時，假設(shè)吊鉤僅受重力，受力方向豎直向下，該情況下不考慮吊鉤擺動，以吊鉤柄部上端面為約束面，約束x、y、z。三個方向的位移。在承受重力的情況下假設(shè)吊鉤受力部位有一重物，受力方向豎向下，同時在吊鉤側(cè)面受一橫向風(fēng)力，風(fēng)速取臺風(fēng)風(fēng)速的最小值32.7m/s和最大值36.9m/s，根據(jù)風(fēng)壓計算公式Wp=V2/1600，計算出對應(yīng)風(fēng)壓為700N/m2和900N/m2。以吊鉤柄部

上端面為約束面，約束x、y、z三個方向的位移。

3.5應(yīng)力應(yīng)變分析

現(xiàn)對型號為5t、8t、10t的吊鉤的柄部進行扭轉(zhuǎn)20。后，同時對與未扭轉(zhuǎn)情況下分析的有限元結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖3，4，5所示。由以上各應(yīng)力分布圖可知，最大應(yīng)力均位于吊鉤柄部向下彎曲處，吊鉤內(nèi)側(cè)受拉應(yīng)力，外側(cè)受壓應(yīng)力，危險截面發(fā)生在內(nèi)側(cè)彎曲處的概率最大。綜合以上應(yīng)力云圖，各吊鉤所受最大應(yīng)力均未超過屈服極限。在同等條件下，吊鉤扭曲后與扭曲前相比，在相同的作用力下，危險位置不變，只是最大應(yīng)力變大了。最大應(yīng)變位置也相同，但應(yīng)變變大了。因此要是出現(xiàn)了吊鉤局部出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)對安全還是存在隱患。